에테르 (物理)

에테르 (aether)는 빛의 波動說의 副産物로 波動이 進行하기 위해서 必須的으로 있어야 한다고 믿어졌던 媒質(물결派에 對해서는 물, 소리에 對해서는 空氣) 中狂波動媒質의 이름으로 만들어진 新造語다. 나중에 조지프 존 톰슨 과 맥스웰 等이 발전시켜 빛과 電磁氣現象을 說明하는 데 使用되었으나 結局 에테르가 存在하지 않음이 밝혀졌다. 이는 나중에 아인슈타인 의 相對論 이 만들어지는 데 寄與를 하게 된다.

에테르의 變遷史 [ 編輯 ]

처음 에테르 槪念은 빛의 本質이 波動인지 아니면 粒子인지에 對한 論爭에서 많이 登場하였다. 大體的으로 빛이 波動이라는 主張과 함께 그 매질로서 에테르가 言及되었는데 뉴턴의 境遇 빛이 波動이라는 主張을 펼치지는 않았지만 에테르가 存在한다고 믿었다. 아이작 뉴턴 은 프린키피아에서 ‘모든 空間이 다양한 密度의 에테르로 가득 차 있다’고 主張하였는데 이는 重力의 遠距離作用을 說明하려는 試圖였다고 생각된다.

後에 토마스 영 이 빛의 干涉現象을 發見한 後로 빛이 波動이라는 主張이 大勢를 이루었는데 여기에 힘입어 많은 사람들이 에테르의 存在를 받아들이게 되었다. 當時에는 뉴턴力學이 큰 成功을 거두었고 그에 따라 에테르에 對한 力學的 모델들이 登場하기 始作했다. 特히 에테르를 彈性固體라 假定하고 에테르에서 進行하는 波動으로서 빛을 說明하려는 試圖가 이루어졌는데 그 中脈클라흐(MacCullagh)는 에테르가 回轉抵抗性과 非壓縮的인 性質을 가진다고 主張했고 이는 後에 톰슨과 맥스웰의 에테르 모델에 影響을 주었다.

‘場’ 槪念은 마이클 패러데이 에 依해 登場하였는데 이에 影響을 받은 톰슨이 1841年靜電氣問題에서의 逆線이 無限固體에서의 熱 흐름線과 數學的으로 同等하다는 것을 보인 論文을 發表하였고, 1889年에는 熱의 顚倒現象과 靜電氣問題를 聯關시켜 電磁氣現象을 傳達하는 媒質로서 에테르의 機械的 모델을 提案했다. 이 모델은 脈클라흐의 모델과 거의 비슷했는데 여기에 追加的으로 4面體 피라미드 構造를 이룬다는 說明을 덧붙였다.

패러데이와 톰슨에게 至大한 影響을 받은 맥스웰은 電磁氣現象에 關한 自身의 方程式을 具體的으로 解釋하기 위해서 宏壯히 複雜한 機械的인 에테르 모델을 提案했다. 맥스웰은 相當히 오랫동안 에테르 理論을 支持하여 여기에 매달렸는데 가장 큰 理由는 電磁氣現象에 關한 遠距離作用이라는 神祕的槪念을 避할 수 있게 해주었기 때문인 것으로 보인다.

電磁氣的 에테르 [ 編輯 ]

패러데이 [ 編輯 ]

패러데이는 長에 對한 두 가지 表現을 使用했는데 하나는 힘이 꽉 차 있는 連續된 媒質의 粒子들을 통해 傳達된다는 것이었고, 다른 하나는 힘의 線을 使用했다는 것이었다. 패러데이는 에테르가 힘을 傳達하는 媒介體일 것이라고 主張했는데, 그의 理論은 힘이 傳達되는 메커니즘을 說明하지는 못했다. 톰슨은 이러한 패러데이의 章理論으로부터 에테르 連續體理論을 발전시켰고, 맥스웰은 連續된 에테르 粒子를 통해 힘의 作用이 傳達된다는 에테르 粒子의 物理的模型을 發展시켰다. 結果的으로 톰슨과 맥스웰은 모두 에테르의 易學的理論을 章理論에 適用시켜 패러데이가 使用한 槪念들을 좀 더 物理的으로 발전시킨 셈이었다.

톰슨 모델 [ 編輯 ]

톰슨 은 1856年 그의 論文에서 物理的腸을 動力學的으로 說明하려는 試圖를 했다. 自身의 열 理論(動力學的粒子運動으로 熱現象을 說明하는)과 랭킨의 理論(粒子核을 둘러싸고 있는 에테르 大氣의 소용돌이 運動이 바로 熱이라는)을 使用해 패러데이가 發見한 磁氣的現象을 說明했다. 卽, 熱現象(熱이 顚倒對流되는)과 같은 樣相으로 磁氣現象이 傳達되지만 그 傳達의 媒介物이 에테르라고 하는 특수한 物質이라는 모델이다. 톰슨은 에테르의 物理的構造에 對한 특정한 模型을 提示하지 않았지만 1850年代後半 에테르를 流體로 생각하고 모든 物質은 連續되어 있다는 ‘普遍充滿의 理論’을 支持했다. 그 理論에 따르면 粒子構造와 物體의 몇 가지 性質은 에테르에 依한 소용돌이 運動의 結果였다. 또한 그의 理論은 物理的場에 依한 相互作用이 空間에 充滿한 에테르를 통해 傳達된다고 說明함으로써 場이라는 槪念을 에테르 連續體의 運動으로 表現할 수 있게 되었다.

맥스웰 모델 [ 編輯 ]

톰슨이 패러데이의 ‘場’理論을 物理的으로 說明하기 위해서 에테르를 連續體로서 보는 理論을 발전시켰다면, 맥스웰은 長과 歷選(힘의 선)의 幾何學的意味에 注目했고 또한 에테르를 醬의 媒介體로서 보는 物理的模型을 發展시켰다. 一旦基本的으로 맥스웰은 腸을 物理的으로 表現하여 實在로 認定하기 위해서는 充滿한 에테르의 存在가 必然的이라 생각했다. 그는 電磁氣場을 易學的觀點에서 說明하려고 하였으며 그로 인해 에테르에 對한 複雜하고 精巧한 모델이 誕生하였다. 磁氣場을 回轉하는 소용돌이 棺으로 채워져 있는 流體로 보고 電磁氣現象으로 인해 空間에 充滿한 에테르가 變形되어 이때 생기는 變形力에 依해 電氣力과 磁氣力이 傳達된다는 理論을 提示했다.

그는 獨特한 에테르 模型을 提示했는데 六角形의 벌집 模樣의 소용돌이觀이 電磁氣 매질이며 그 周圍에 層을 이루며 遊動바퀴가 存在한다. 소용돌이館의 配列은 힘의 線에 該當하며, 소용돌이의 角速度는 醬의 世紀에 該當한다. 遊動바퀴 役割을 하는 粒子들이 소용돌이館 사이사이에 놓여있어서 各各의 소용돌이官은 같은 方向으로 回轉한다. 맥스웰은 에테르를 細胞 에테르라고 言及하면서 全體的인 模樣을 벌집처럼 表現했다. 그는 에테르 細胞와 遊動바퀴의 相互作用이 歎聲的이라고 보았는데, 各細胞는 遊動바퀴 粒子들로 둘러싸여 있어 細胞에 該當하는 소용돌이의 角速度가 다르다면 遊動바퀴 粒子들은 竝進運動을 하게 된다. 이렇게 생기는 粒子들의 運動이 非均質磁氣場 속의 前류 흐름에 該當하는 것이다. 이러한 粒子들의 運動으로 인해 細胞들이 일그러지게 되고 細胞의 彈性力에 依해 크기는 같고 方向은 反對인 힘이 作用하게 되는데 이것이 바로 靜電氣場에 該當한다. 맥스웰은 또한 遊動바퀴를 一種의 電氣粒子처럼 생각했었다. 煎類는 電氣粒子의 흐름으로 一般的으로 導體內에서만 電氣粒子가 移動할 수 있다. 卽遊動바퀴는 回轉을 하거나 直接移動함으로써 細胞의 回戰에 變化를 줄 수 있지만 直接移動하는 것은 導體와 같은 物質이 空間에 存在하고 있을 때뿐이다. 하지만 細胞는 彈性體이기 때문에 導體內部가 아니더라도 셀의 일그러짐을 誘發하면서 遊動바퀴가 짧은 距離를 움직일 수 있게 된다. 맥스웰은 이러한 效果를 使用해 電磁氣誘導를 說明했으며 眞空에서도 일어날 수 있는 이 瞬間的인 흐름을 ‘ 變位電流 ’라고 불렀다.

하지만 처음 위의 模型이 提示되었을 때는 遊動바퀴 粒子로부터 細胞 소용돌이로 回轉이 傳達되는 메커니즘이 不明確했는데 맥스웰은 이 問題를 考察하면서 歷選(힘의 선) 理論을 다듬었는데, 그로부터 豫想치 못하게 光學과 電磁氣理論의 統合이라는 結果를 얻게 되었다. 그는 에테르, 卽電磁氣媒質 속에서 橫的인 彈性波 의 形態로 퍼져나가는 轉機變位의 速度를 計算해냈는데 그 結果가 빛의 速度와 같다는 것을 알게 되었다. 이에 對해 “우리는 다음과 같은 推論을 避할 수 없다. 卽, 빛은 電氣現象과 磁氣現象의 原因이 되는 바로 그 매질의 橫的인 波動으로 이루어져 있다.” 電磁氣 매질과 빛 매질이 같다고 하는 이러한 結果는 에테르 理論의 가장 큰 成果였다. 비록 電磁氣 매질과 빛의 媒質이 되는 에테르가 實際로 存在하지는 않았지만 에테르 理論德分에 光學과 電磁氣學이 連結될 수 있었던 것이다.

마이켈슨-몰리實驗 [ 編輯 ]

實驗意圖 [ 編輯 ]

마이켈슨-몰리 實驗은 가장 有名한 不正實驗으로 言及된다. 實驗의 週設計者인 마이켈슨은 正確한 빛의 速力을 測定하기 위해 努力했던 美國의 實驗物理學者였다. 그는 에테르의 存在를 支持했었는데 이 實驗은 에테르를 빛의 速力이 c=300,000 km/s 로 일정한 靜止座標系로 보고 地球라는 契가 速力 v로 움직이고 있는 것으로 假定하고 있다. 卽 애初에 實驗의 意圖는 에테르의 存在를 證明하는 것이었지만 結果는 豫想과 正反對로 나왔고 에테르가 存在하지 않는다는 反證이 되었다.

過程 및 結果 [ 編輯 ]

基本的으로 地球는 太陽周圍를 公轉하고 있으므로 靜止座標系가 될 수 없다. 위에서 言及한 家庭에 依하면 에테르는 빛의 速度가 c인 靜止座標系이므로 地球를 에테르에 對해 速力 v로 等速圓運動하고 있는 座標系라고 볼 수 있다. 이 實驗은 垂直으로 交叉하는 두 軸에 依한 빛의 干涉現象을 利用하는데 한 軸을 地球의 運動方向과 平行하고, 다른 軸을 地球의 運動方向과 手織하게 놓는다. 그런 後 이 干涉計全體를 회전시키면 그것만으로도 두 빛의 經路에 位相差가 發生하며 週期的으로 變하게 되므로 干涉무늬度週期的으로 變化해야 한다. 하지만 이러한 豫想과는 달리 干涉무늬에는 어떠한 變化도 나타나지 않았고 結果的으로 에테르의 存在를 否定하게 되었다.

같이 보기 [ 編輯 ]

參考文獻 [ 編輯 ]

김동원·김재영 옮김, 《에너지, 힘, 物質》, 圖書出版聲優, 2000 [Peter M. Harman, Energy, force and matter, Syndicate of the Press of the University of the Cambridge, 1982]
김요한 옮김, 《모든 것을 바꾼 사람》, 知識의 숲, 2008 [Basil Mahon, The Man who changed everything, John Wiley&Sons International Rights, Inc., 2003]
송진웅 옮김, 《物理學의 歷史와 哲學》, ㈜북스힐, 2004 [James T. Cushing, Philosophical Concepts in Physics, Syndicate of the Press of the University of the Cambridge, 1998]
정동욱, 《패러데이&맥스웰》, 김영사, 2010